基于微處理器和多通信方式的大壩變形智能監測儀器的設計與實現

周芳芳,張 鋒,杜澤東,胡 超

(1.長江科學院 工程安全與災害防治研究所,武漢 430010; 2.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心,武漢 430010; 3.國家大壩安全工程技術研究中心,武漢 430010; 4.中國三峽建工(集團)有限公司,成都 610041)

0 引 言

安全監測是保障水利工程安全穩定運行的重要技術措施,是實現智慧水利的基礎環節和前置條件。變形監測由于其直接獲取建筑物結構在外荷載作用下的位移(或形變)響應行為,因而能夠直觀反映建筑物的安全性態。同時,由于變形監測數據的物理意義相對明確,便于理解,可靠性相對容易保證,因而變形監測數據通常也被用于佐證其他類型監測數據(如滲流、溫度等)的合理性及可靠性[1]。

鑒于變形監測的重要性和基礎性,工程界對變形監測技術的研究起步相對較早[2],目前大壩水平位移自動化監測主要使用引張線法、真空激光準直法及垂線法,如步進電機式、式的引張線儀和垂線坐標儀等儀器已在大壩工程實踐中廣泛應用[3]。

大部分電荷耦合器件(Charge Copled Device,CCD)式垂線坐標儀具有采集、存儲功能,運用發光二極管(Light-Emitting Diode,LED)顯示及RS485通信方式進行數據讀取,但不支持現場配置、實時采集、歷史數據查看,無直接遠程交互功能,需要接入其他采集裝置或轉接設備才能進行遠程通信[4]。

針對現有儀器存在的問題,本文設計了一種基于微處理器和多種通信方式的大壩變形智能監測儀器,即智能CCD式垂線坐標儀。儀器運用微處理器及以太網接口,不需要接入其他采集設備,可直接接入軟件系統,解決了儀器集成復雜、傳統通信方式不穩定等問題;并運用藍牙通信和智能手機APP,解決了現場參數配置、采集數據實時讀取的問題;同時提出了一種反饋式自適應調光技術,提高了儀器的自適應能力和穩定性。

1 原理及總體結構

智能CCD式垂線坐標儀與專用的垂線配套使用可對大壩、船閘、高層建筑等不同高程的水平位移變化進行精密測量[5]。

儀器運用微處理器及多個功能模塊,實現了光源自動調節、線陣CCD信號采集、信號處理、數據存儲和通訊交互的一體化設計,儀器智能化程度高,改變了傳統監測儀器需與專用采集單元配合使用的繁瑣,便于快速集成到工程安全監測自動化系統。

儀器利用投影原理,通過平行光照射將垂線在相互垂直的兩個線陣CCD器件上各自產生一個投影,依據線陣CCD器件不同像素點感光度的差異性,通過對應像素點輸出值的不同判斷垂線被遮擋的像素點,確定陰影的位置值[6]。

光路投影原理雖已應用于市面上大多數CCD式引張線儀和垂線坐標儀,但本文在原有技術的基礎上,提出了一種反饋式自動調節光照強度的方法,可顯著提升光源的自適應性,提高采集數據的穩定性,垂線坐標儀的光路和結構原理如圖1所示。

圖1 垂線坐標儀光路原理和結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical path and structural diagram of vertical coordinate instrument

由于工程應用環境濕度較高,儀器采用密封防潮結構進行封裝,包括電源板、主控板、LED顯示板,以及x軸和y軸分別對應的點光源板、透鏡板、線陣CCD采集板。點光源板的光源位于透鏡的焦點處,光線通過菲涅爾透鏡后形成平行光,照射到垂線上后再照到線陣CCD上,依據線陣CCD所有像素點的輸出電壓進行濾波、閾值設置、區間判斷等,計算垂線在單軸上的水平位置,兩個軸的原理一致。

根據計算垂線在兩個軸的投影位置具體值,定位垂線的平面坐標(x,y),將垂線坐標儀安裝完畢的首次測值(x0,y0)作為初始測值,當垂線坐標儀所在測點觀測墩相對于垂線變化時,垂線坐標儀的測值將發生變化,變化后的測值為(xi,yi),變化量Δx和Δy為該測點觀測墩相對垂線的位移變化量[7]。其表達式分別為:

Δx=kx(xi-x0) ;

(1)

Δy=ky(yi-y0) 。

(2)

式中kx、ky為位置關系系數,為1或者-1。

kx、ky的取值以及每個測點的絕對位移,將根據正垂、倒垂的類型和垂線坐標儀的安裝位置確定。

2 線陣CCD信號采集及處理

2.1 硬件設計

線陣CCD信號采集及處理由主控板配合光源產生、光源控制、CCD采集等電路共同完成。主控板是儀器的核心,其他電路板的控制均由主控板輸出的控制信號進行控制及交互,主控板的電路示意如圖2所示。主控板包括微處理器、FLASH芯片、RTC實時時鐘芯片、溫濕度傳感器、藍牙通信模塊、以太網通信模塊、電源管理模塊、x軸線陣CCD采集控制接口、y軸線陣CCD采集控制接口、x軸點光源控制接口、y軸點光源控制接口、LED顯示控制接口。

圖2 垂線坐標儀電路示意圖Fig.2 Circuit diagram of vertical coordinate instrument

微處理器芯片選用的是32位的STM32F407VET6,為采集裝置提供了卓越的計算性能和先進的響應中斷的能力[6]。本文選用的線性CCD是高速掃描、線性陣列的圖像傳感器,2 592個像素點對應54.9 mm的掃描長度。

主控板的微處理器運用接口與線性CCD模塊進行交互,按照模塊的控制時序輸出相應的時鐘和控制信號,按照模塊的時序要求,線陣CCD采集模塊會輸出固定時間長度且一定范圍內的電壓,微處理器通過內置的ADC(模/數轉換器)對電壓按時序進行采集,每個時鐘輸出的電壓對應的是線陣CCD每個像素點的感光值,垂線會遮擋一部分平行光,有一部分像素點的受光強度程度較弱,對應采集值也偏小。

由于光路的散射和折射原理,被遮擋的采集值并不是根據垂線直徑大小推算的理想數據,需將數據進行濾波及算法處理后,才可定位垂線的位置。

2.2 嵌入式軟件設計

儀器應用的微處理器芯片使用C語言進行嵌入式編程。由于垂線坐標儀具有數碼管顯示界面,需要不斷采集當前垂線的位移值,因此在保證設定的采集時間及通訊指令觸發采集的同時,還需不斷進行實時采集,通過數碼管界面進行顯示。

采集指令主要包括線陣CCD采集模塊的控制指令和LED燈的控制指令。為保證儀器測量的可靠性,防止兩個軸的平行光相互影響,兩個軸的采集控制需輪流進行。

微處理器在上電時會進行各個功能的初始化處理,具體的主程序流程如圖3所示,在循環程序中讀取通信指令的標志位及設定采集時間到的標志位;讀取到通信指令的標志位時,會按照通信指令進行相關指令的操作;讀取到設定采集時間標志位時,會依次使能2個線陣CCD采集模塊,采集當前的數據,數據處理后按自定義的數據格式進行存儲;未讀取到指令時,會依次使能2個線陣CCD采集模塊,采集當前數據,但不進行存儲,而是通過數據管進行顯示。

圖3 主程序流程Fig.3 Flow chart of main program

事件策略將進行環境量參數的識別及自動分析,根據現場情況及已測量的數據進行分析后,啟動自適應調光機制或根據閾值報警機制自動修改時間策略,減少儀器采集時間間隔,應對汛期等高頻次采集需求。

線陣CCD采集數據的處理運用微處理器的嵌入式編程實現,通過采集數據的分析、異常數據過濾、閾值確定、陰影數據選定、范圍計算等步驟,從而確定垂線坐標儀單個軸的位置,另一個軸運用同樣的方式,但兩個值在初測完成后,需要采用結合校準參數計算后才能輸出有效值。

3 多通信方式

智能CCD式垂線坐標儀具有以太網、RS485、藍牙3種交互方式,由于RS485為市面上垂線坐標儀常用的通信方式,本文不再贅述。

3.1 以太網通信

微處理器通過串行外設接口(Serial Peripheral Interface,SPI)與以太網控制器交互實現以太網通信,硬件結構如圖4所示,MAC模塊實現符合IEEE 802.3標準的 MAC 邏輯,PHY(物理層)模塊對雙絞線上的模擬數據進行編碼和譯碼,網絡變壓器起到隔離和增強信號強度的作用。每臺儀器均有一個獨立的IP地址,微處理器將采集的數據通過以太網的方式進行遠程傳輸,可自由組網使用,也可直接接入軟件系統。

圖4 以太網通信模塊硬件結構Fig.4 Hardware structure of Ethernet communication module

儀器通過TCP/IP以太網通訊方式組網時,其網絡連接如圖5所示,連接時可以使用帶屏蔽的電纜或通訊光纖,以防止電磁干擾。使用TCP/IP以太網通訊方式連接組網時,需選擇路由器或光纖交換機等集線裝置。

圖5 以太網組網通信Fig.5 Ethernet networking communication

3.2 藍牙通信及手機APP設計

微處理器通過TTL電平的UART接口與藍牙通信模塊交互,運用BLE4.2的通信協議與手機通信[8]。本文設計的手機APP,可現場配置儀器的通信、運行等參數,并實現實時采集垂線數據、查看歷史數據等功能。

儀器連接后的參數設置主要包括設備類型、通信方式、采集模式、間隔時長、線的外徑、設備對時、數據管理選項等,如圖6所示。

圖6 手機APP界面Fig.6 Interface of mobile phone application

設備讀取成功后,除設備基本信息外,還會實時顯示設備所處環境的溫濕度情況。查看歷史數據時,x、y兩個測值表示垂線坐標儀2個方向的位移變化量,可根據起始時間選擇對應時間段的數據進行查看。

4 反饋式自適應調光技術

目前大部分CCD式垂線坐標儀應用LED燈作為光源進行線陣CCD采集時,一般采用滑動電阻手動調配LED燈的光照強度,由于LED燈的出廠批次不同,適配的電阻值存在較大差異,用手動方式進行調節時繁瑣復雜,需人工肉眼判斷光照強度,并依靠調試人員的經驗,人工查看線陣CCD當前采集值進行核對,調節誤差范圍較大,影響儀器測量精度。且此方法只能在設備安裝前進行,一旦設備安裝完畢,就沒辦法修改光源強度,到現場應用后因為現場環境對平行光產生影響時,平行光強度沒辦法做出改變和適應。

本文提出了一種CCD式垂線坐標儀自適應調光機制,通過數字電位器、光源、透鏡、線陣CCD傳感器形成反饋式自適應調光控制系統,光源通過透鏡后產生平行光,微處理器運用梯度分類、閾值判定、中值濾波等算法,對線陣CCD的像素點進行特征值提取和特征值分析,自動識別光源強度,從而控制數字電位器,實現平行光光源強度自動調節,調光機制流程如圖7所示。

圖7 基于線陣CCD的自適應調光機制流程示意圖Fig.7 Schematic diagram of adaptive dimming mechanism flow chart based on linear CCD

數字電位器選用型號為AD5231,具有10 kΩ的電阻調節范圍,微處理器按照數字電位器的控制時序對其進行控制和輸出電阻調節。

自動調光時不再借助其他感光設備,而是通過儀器選用的線陣CCD進行光照強度識別。當平行光照射到線陣CCD時,線陣CCD輸出原始采集數據到微處理器,即每個像素點對應輸出一個電壓值。微處理器對原始值進行分類、判斷、濾波等算法,分析線陣CCD的像素點的特征,而動態調整數字電位器的輸出值,從而實現平行光光源強度自動調節。微處理器的處理流程如圖8所示。

圖8 微處理器自適應調光的程序流程Fig.8 Program flow chart of microprocessor adaptive dimming

通過編寫手機APP程序,將垂線坐標儀的自動調節功能運用手機APP使能,也可根據現場光線實時判斷,自動觸發調光功能。APP使能如圖9所示,按APP界面中“設置”按鈕即可對垂線坐標儀的x軸和y軸進行自適應調光處理,無需人工參與,即可自動設置光強度為適合采集的狀態,提高儀器測量精度的同時,儀器出廠效率也明顯提升。

圖9 手機APP使能自適應調光功能Fig.9 Mobile phone application with adaptive dimming function

5 試驗與應用

5.1 試 驗

測量試驗前先按照文中提出的反饋式自適應調光方法進行光源調節,將光源調到合適亮度后,再進行垂線采集。無需每次采集都進行調光,調光一般是在出廠前,以及每年的儀器維護時進行。

本次試驗采用直徑為1.6 mm鋼絲作為垂線,根據本文選用的線性CCD模塊的特性,2 592個像素點對應54.9 mm的測量范圍。按照平行光照射物體產生陰影的理論,從理想狀態來看,直徑1.6 mm銦鋼絲應遮擋76個像素點的光線。但由于點光源是球形LED燈,無法使初射光線僅從焦點處射出,無法實現理想狀態下的平行光,同時光散射及折射的影響,2個軸的線陣CCD采集的實際值與理想值存在差異。

將垂線隨機放置于本文研制的垂線坐標儀的測量區域內,x軸和y軸是水平面上2個相互垂直的方向,2個方向的線陣CCD采集到的測量數據分別如圖10所示。

圖10 x軸和y軸線性CCD模塊采集值Fig.10 Collected values of x-axis and y-axis linear CCD module

從測量結果看,x軸線性CCD模塊從像素點1 257采集值開始逐漸減小,像素點1 390采集值逐漸恢復,從采集值可以定位垂線在x方向的位置。當垂線沿x方向移動時,陰影范圍會偏移,采集值會發生變化,本文運用微處理器實現采集值濾波,濾除非陰影處的毛刺電壓,通過所有電壓值與陰影處電壓值的對比確定閾值,運用閾值確定陰影范圍后計算特征值定位垂線在x方向的位置。垂線的測量范圍確定為50 mm,定義的0 mm起始點并非是有效長度為54.9 mm的線陣CCD的起始點,起始點會根據測量范圍進行偏移,本次垂線x軸的計算后的輸出值為25.71 mm,即x軸的坐標值。

從測量結果看,y軸線性CCD模塊從像素點1 730采集值開始逐漸減小,像素點1 890采集值逐漸恢復,從采集值可定位垂線的在y方向的位置,當垂線沿y方向移動時,陰影范圍會偏移,采集值會發生變化,y軸同樣運用微處理器實現采集值濾波、閾值判斷、特征值計算等定位垂線在y方向的位置,本次垂線y軸的輸出值為36.07 mm,即y軸的坐標值。

由于x軸和y軸并非理想平行光輸出進行采集,初始測值并不能直接用于最終測值輸出。試驗時會對光路進行微調,但由于LED燈本身的光路特性,光源并非位于透鏡焦點處的點光源,無法調節成理想平行光,垂線和線陣CCD間的距離,對垂線在線陣CCD上的成像范圍會有一定影響。

在平行光路不便于有限安裝環境內再調節的情況下,本文運用校準的方式進行誤差修正。將垂線坐標儀放置于水平面2個垂直方向均可移動的滑臺上,滑臺通過步進電機控制移動距離,采用光柵尺進行位移反饋。校準時垂線固定不變,垂線坐標儀按照3～5 mm位移間隔依次進行2個方向的平移和每個定位點的初始測量,所有測值按照最小二乘法進行校準后得到校準參數,使用手機APP將校準參數寫入儀器,再次測量時垂線坐標儀依據校準參數計算后輸出位移值,測量結果滿足儀器精度要求。

5.2 工程應用

南漳峽口水電站位于湖北襄陽,為沮河干流上的控制性樞紐,樞紐工程主要由混凝土拱壩、右岸發電引水隧洞、地面廠房和開關站等組成,大壩為雙曲拱壩,壩體水平位移監測采用3組垂線,共計3條倒垂、2條正垂,11個測點。每個測點安裝了一臺本文研制的智能CCD式垂線坐標儀,用于遠程自動讀取垂線的水平位移量,工程應用如圖11所示。

圖11 南漳峽口水電站工程應用Fig.11 Application to Xiakou hydropower station in Nanzhang County

通過研發的軟件系統可實時查看每個測點的采集值和歷史變化曲線,如圖12所示。

圖12 垂線坐標儀工程應用遠程軟件界面Fig.12 Remote software interface for engineering application of vertical coordinate instrument

6 結束語

本文改變了傳統CCD式垂線坐標儀僅作為傳感器的測量思路,研制的大壩變形智能監測儀器集垂線位置數據采集、處理、存儲和通信于一體,提高了變形監測儀器的集成度和可靠性,通過反饋式自適應調光技術的設計與運用,可顯著提升光源的自適應性,提高采集數據的穩定性?；谒{牙通信和以太網,結合自主研發的智能手機APP和web端平臺,既解決了現場參數配置、采集數據實時讀取的問題,又為儀器遠程采集、配置和數據管理提供穩定方式,為直觀反映大壩建筑物的安全性態提供了有力技術支撐。